功率器件的散热计算剖析
功率器件热设计及散热计算
功率器件热设计及散热计算2007-03-29 00:18功率器件热设计及散热计算摘要：本文介绍了功率器件的热性能参数，并根据实际工作经验，阐述了功率器件的热设计方法和散热器的合理选择。
关键词：热设计；功率器件；散热计算；散热器选择引言当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。
据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。
所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。
功率器件热性能的主要参数功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。
若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。
表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的PN结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。
当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。
为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。
Tj max的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。
热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。
一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。
金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。
功率器件热设计功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
MOSFET功率开关器件的散热计算
MOSFET功率开关器件的散热计算MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常用的功率开关器件，用于调节和控制电子电路中的功率输出。
在工作过程中，MOSFET 会产生一定的功耗，这会导致器件升温，为了保证器件的正常工作，需要进行散热计算。
散热计算的目的是确定器件的热阻和最大工作温度，以便选择适当的散热方式，以及确定散热器的大小和材料。
首先，我们需要了解MOSFET的功耗，计算器件的热阻和最大工作温度。
1.功耗计算：-静态功耗是指器件处于稳态工作时的功耗，主要是由电流引起的导通压降和漏极电流引起的静态功耗。
-动态功耗是指在开关过程中，由于MOSFET开关速度造成的功耗。
静态功耗可以通过电流和导通压降计算得出，动态功耗则需要根据MOSFET的开关速度和应用场景来进行估算。
一般来说，静态功耗较小，可以忽略不计，因此我们主要关注动态功耗。
2.热阻计算：热阻由两个组成部分构成：导热阻（junction-to-case thermal resistance）和散热阻（case-to-ambient thermal resistance）。
-导热阻是指热量从MOSFET结到器件封装外壳的传导阻力。
-散热阻是指热量从器件封装外壳传递到周围环境的散热阻力。
导热阻可以通过器件手册或厂商提供的数据手册来获得，散热阻可以通过热量传导理论和计算公式来估算。
3.最大工作温度：最大工作温度可以通过器件手册或厂商提供的数据手册来获得。
有了以上的基础知识，我们可以按照以下步骤进行MOSFET的散热计算：1.根据应用场景和数据手册提供的参数，计算出MOSFET的功耗。
2.根据功耗计算出MOSFET的热阻（包括导热阻和散热阻）。
3.确定最大工作温度，通常根据数据手册提供的温度参数来确定。
4.根据最大工作温度和热阻，计算出器件离开环境的温度差。
5.根据热耗的温度差和功耗，计算出散热器的尺寸和材料。
需要注意的是，散热计算是一个非常复杂的过程，涉及到多方面的因素，包括器件的封装类型、散热器的设计和材料选择等。
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计0 引言电子设备（产品）在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。
过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。
因此，做好电子设备中功率器件的热设计与散热设计是提高电子设备（产品）质量与可靠性的关键环节。
本文就电子设备中功率器件的热性能、功率器件热设计、散热器设计、散热技术的发展等，做进一步的研究和探讨[1]。
1 功率器件的热性能功率器件在受到来自器件本身工作时（内部）产生的热或受到器件壳体（外部）接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片（有源区）的温度（结温）升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。
功率器件的热性能：结温和热阻[2]。
1.1 结温。
功率器件的内部芯片有源区（如晶体管的pn结区、场效应器件的沟道区、集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等）的温度称为结温。
当功率器件的结温温度（tj）超过其环境温度（ta）时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差(tj-ta)的变化增大而使传热量增大。
1.2 热阻。
功率器件传递热量能力的大小称为热阻（rt），热阻（rt）的值增大时，功率器件的散热能力就减小。
热阻分为内、外热阻：①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。
②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部（管壳）的封装形式（如金属管壳的外热阻<塑封管壳）有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。
2 功率器件的热设计功率器件热设计的目的是为了防止器件工作时所产生的温度过高，致使器件（过热引起热失效）无法正常工作。
在功率器件热设计过程中，不仅要作好器件内部芯片、封装形式和管壳的热设计，还要加装合适的散热器进行有效散热，保证器件在安全结温之内正常可靠的工作[3]。
2.1 器件的性能参数和环境参数。
电源功率器件散热器计算
电源功率器件散热器计算一、7805 设计事例设I=350mA，Vin=12V，则耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W。
按照TO-220封装的热阻θJA=54℃/W，温升是132℃，设室温25℃，那么将会达到7805 的热保护点150℃，7805 会断开输出。
二、正确的设计方法是：首先确定最高的环境温度，比如60℃，查出民品7805 的最高结温Tj(max)=125℃，那么允许的温升是65℃。
要求的热阻是65℃/2.45W=26℃/W。
再查7805 的热阻，TO-220 封装的热阻θJA=54℃/W，TO-3 封装（也就是大家说的“铁壳”）的热阻θJA=39℃/W，均高于要求值，都不能使用（虽然达不到热保护点，但是超指标使用还是不对的）,所以不论那种封装都必须加散热片。
资料里讲到加散热片的时候，应该加上4℃/W 的壳到散热片的热阻。
计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即54//x=26，x=50℃/W。
其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足。
三、散热片尺寸设计散热片计算很麻烦的，而且是半经验性的，或说是人家的实测结果。
基本的计算方法是:1.最大总热阻θja ＝（器件芯的最高允许温度TJ －最高环境温度TA ）/ 最大耗散功率其中，对硅半导体，TJ 可高到125℃，但一般不应取那么高，温度太高会降低可靠性和寿命。
最高环境温度TA 是使用中机箱内的温度，比气温会高。
最大耗散功率见器件手册。
2.总热阻θja＝芯到壳的热阻θjc ＋壳到散热片的θcs ＋散热片到环境的θsa其中，θjc 在大功率器件的DateSheet 中都有，例如3---5θcs对TO220 封装，用2 左右，对TO3 封装，用3 左右，加导热硅脂后，该值会小一点，加云母绝缘后，该值会大一点。
散热片到环境的热阻θsa 跟散热片的材料、表面积、厚度都有关系，作为参考，给出一组数据例子。
a.对于厚2mm 的铝板，表面积（平方厘米）和热阻（℃/W）的对应关系是：中间的数据可以估计了。
功率器件的散热计算及散热器选择
司产 品）作 低频 功 放 ，其 电路如 图 １ 所
器件 为 ８引脚 Ｔ ３ 属外 壳 封装 Ｏ一 金 ０ １ ￣ Ｗ ；若 器件 底 面 不绝 缘 需 示 。 ～０ ２Ｃ／ 器 件 丁作 条 件 如 要 另 外 加 云 母 片 绝 器 件上 还 采用 流动 冷水 冷却 板 ， 它有 更 下 作 电压 ±Ｖ 工 ｓ 缘 ， 其 Ｒ 可达 １ 则 一 ℃／ 好 的散 热效 果 。 为 ±１ Ｖ ８ ；负 载 阻 Ｗ Ｐ 为 实 际的最 大 。 散 热 计 算 就 是 在 一 定 的 ＿作 条件 ｒ 抗 Ｒ 为 ４ Ｑ， Ｔ 损 耗 功 率 ，可 根 据 不 下 ， 过 计算 来 确 定 合适 的散 措 施及 通 作 频 率 直 流 条 件 同器 件 的工 作 条件 计
Ｒ ≤ ｏ Ｐ ｒ Ｔ ）／ 一
割成 一 定 长度 而制成 非 标准 的散热 器
散 热 器 的 表 面处 理有 电 泳 涂 漆 或
可靠 地 ｒ 作
则 计算 最 夫 允许 的 散 热 器 到 环 境 黑 色 氧极 化 处 理 ， 口的是 提 高散 热 敢 其
温度 的 热 阻 Ｒ 为 一
率 及 绝 缘 性 能 ：在 自然 冷 却 下 可 提 高 １ ～１ ％ ， ０ ５ 在通 风 冷却 下 可提 高 ３ ， ％ 电
泳涂 漆 可 耐压 ５ ０ ０ ｖ ０ ￣８ ０
散 热计 算
任何器件在 １作时都有 一 耗 定 的 损 大部 分 的损 耗 变成 热 量 。小功 率 器
’ ｒ
计 算 实例
一
常 用 的 就 是 将 功 率 器 件 安 装 在 散 热 器
利 用散 热器 将 热 量散 到 刷 隔 空 间 ， 必 要 时 冉加 上散 热 风 扇 ， 一定 的风速 加 强 冷却 散 热 ＝ 某些 大 型设 备 的 功率 在
功率器件热沉辐射散热-概述说明以及解释
功率器件热沉辐射散热-概述说明以及解释1. 引言1.1 概述概述部分的内容可以如下所示：功率器件热沉辐射散热是在电子设备中应用广泛的一种散热技术。
在现代电子设备中，功率器件所产生的热量是一个严重的问题。
这些器件通常需要在较高的功率下运行，而其转换效率并不十分理想，导致大量的能量被转化为热量释放出来。
如果这些热量不能得到有效的散热，将会导致器件温度过高，从而影响其可靠性和寿命。
为了解决功率器件热量过高的问题，热沉技术应运而生。
热沉是一种用于引导和散发器件热量的器件，它通常由导热材料制成，比如铜或铝。
功率器件通过热沉的导热接触面与热沉直接接触，使得热量能够迅速传递到热沉上，并通过热沉的表面积扩散到周围环境中。
辐射散热是热沉散热的重要方式之一。
辐射散热通过能量的辐射传递来散发热量。
当热沉表面温度高于周围环境时，热沉会以辐射的形式向周围发射热能。
辐射散热的原理是由斯特藩—玻尔兹曼定律描述的，即辐射功率与热沉表面的温度的四次方成正比。
文章的结构将会按照以下方式展开。
首先，我们将介绍功率器件热沉的概念和作用，阐述为什么需要采用热沉来散热。
接着，我们将详细介绍辐射散热的原理和方法，包括如何提高热沉辐射散热的效果。
最后，我们将对整篇文章进行总结，并展望未来功率器件热沉辐射散热技术的发展方向。
通过本文的阐述，读者将能够深入了解功率器件热沉辐射散热的重要性和原理，为解决功率器件散热问题提供一定的指导和启示。
同时，也可以为相关领域的研究人员和工程师提供一些参考和借鉴。
让我们一起深入探讨功率器件热沉辐射散热技术的前沿进展吧！1.2 文章结构文章结构部分的内容可以从以下角度进行阐述：文章结构是指文章的整体组织布局，包括章节划分、主题内部结构和逻辑连贯性等。
一个清晰明确的文章结构可以帮助读者更好地理解和吸收文章的内容。
首先，本文共分为三个主要部分：引言、正文和结论。
在正文部分中，主要讨论了功率器件热沉和辐射散热这两个主题。
半导体功率器件的散热计算(精)
半导体功率器件的散热计算晨怡热管2006-12-31 0:58:06【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。
【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却一、半导体功率器件的类型和功耗特点一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。
按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。
1、半导体功率放大器件半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。
甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。
也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。
半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流：P D=U ce·I c（式1—1）式中P D为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。
U ce为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。
I c为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。
线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。
例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。
2、半导体功率开关器件半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。
它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。
理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所以功耗为零；导通（饱和）时流过它的电流较大，但其两端的电压降为零，所以功耗也为零。
大功率器件的散热设计
大功率器件的散热设计目录前言 (1)1.器件的热性能参数 (1)2.散热方式的选择 (2)3.风机选型以及风道设计 (2)4.散热器优化 (3)5.正确的安装 (4)前言随着电子技术的不断发展,大功率器件的发热功耗越来越大、热流密度不断增加。
产品散热设计对产品的可靠性有着至关重要的影响。
要对大功率器件进行良好的散热设计,首先要了解功率器件的热性能指标,然后通过选择合适的散热方式,正确的风道设计以及对散热器进行必要的优化分析，最后规范、正确的安装散热器使器件达到最佳的散热效果。
1.器件的热性能参数器件厂家会提供器件的焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息，这是参数是进行散热设计的基础和前提。
下面对一些常用热参数逐一说明：TDP一器件热耗散功耗，单位W（瓦），表示器件实际发热量的大小Tc-器件壳体温度，单位℃Tj-结点温度，单位。
C。
随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。
结点温度超过最大限制，器件寿命极度下降甚至烧毁。
这是进行热设计关注的焦点。
Ta-环境温度，单位℃Rja-结点到环境的热阻，单位C/WRjc-结点到器件壳的热阻，单位C/W归根到底，热设计主要任务是要满足：TjVTj（max）并留有适当的余量（通常要保证有10%以上余量）。
Tj(max]=P*Rjc+Tc(max)Tc(max)即器件表面的最高温度，很显然散热设计越成功，Tc(max)就会越低。
2 .散热方式的选择系统散热方式的选择应充分考虑系统的发热功耗，温度/体积/重量要求，防护等级，散热装置的可操作性，价格等诸多因素，最终选择最适合自己产品的、有效的散热方式。
散热主要分为：自然散热、强迫风冷。
液体冷却等。
目前普遍采用的散热方式仍然是风冷。
下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升的关系。
642 I1IOT24610^,24610*246 10T Wcm t自然散热：通过空气的自然对流将热量带到周围空间。
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功率器件的散热计算及散热器选择
Heat Dispersion Calculation For Power Devices and Radiators Selection
■北京航空航天大学方佩敏
目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。
进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。
散热计算
任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。
小功率器件损耗小，无需散热装置。
而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。
因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。
在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。
散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。
功率器件安装在散热器上。
它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。
若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。
热量在传递过程有一定热阻。
由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC，器件底部与散热器之间的热阻为R CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为R SA，总的热阻R JA=R JC+R CS+R SA。
若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻R JA。
R JA≤(TJ-TA)/PD
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为
R SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R JC+R CS)
出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125℃。
环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40℃ 60℃。
R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有
关，一般可以从器件的数据资料中找到。
R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。
如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R CS典型值为0.1 0.2℃/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R CS可达1℃/W。
PD为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。
这样，R SA可以计算出来，根据计算的R SA值可选合适的散热器了。
散热器简介
小型散热器(或称散热片)由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。
它们有各种形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。
散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。
散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。
在自然冷却下可提高10 15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500 800V。
散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。
计算实例
一功率运算放大器PA02(APEX公司产品)作低频功放，其电路如图1所示。
器件为8引脚TO-3金属外壳封装。
器件工作条件如下:工作电压VS 为18V;负载阻抗RL为4 ，工作频率直流条件下可到5kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。
查PA02器件资料可知:静态电流IQ典型值为27mA，最大值为40mA;器件的R JC(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W，最大值为2.6℃/W。
器件的功耗为PD:
PD=PDQ+PDOUT
式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。
PDQ=IQ(VS+|-VS|)，PDOUT=V^{2}_{S}/4RL，代入上式
PD=IQ(VS+|-VS|)+V^{2}_{S}/4RL
=37mA(36V)+18V2/4 4
=21.6W
式中静态电流取37mA。
散热器热阻R SA计算:R
SA≤({T_{J}-T_{A}}\over{P_{D}})-(R_{ JC}+R_{ CS}})
为留有余量，TJ设125℃，TA设为40℃，R JC取最大值(R JC=2.6℃/W)，R CS取0.2℃/W，(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。
将上述数据代入公式得
R SA≤{125℃-40℃}\over{21.6W}-(2.6℃/W+0.2℃/W)≤1.135℃/W
HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。
注意事项
1.在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为150℃，在设计中留有余地取125℃，环境温度也不能取25℃(要考虑夏天及机箱的实际温度)。
2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出)。
3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝缘)。
安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。
4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。
为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。
5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状(截面积、周长)的型材组成的散热器来代用。
6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正(如型材的长度尺寸或改变型材的型号等)后才能作批量生产。